[논문]유동층 반응기 프리보드 내 높이에 따른 CNT 응집체 형상 변화

김성원

doi:10.9713/kcer.2019.57.1.105

유동층 반응기 프리보드 내 높이에 따른 CNT 응집체 형상 변화
Effect of Height on CNT Aggregates Size and Shape in Freeboard Region of a Fluidized Bed 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.1, 2019년, pp.105 - 110

초록
AI-Helper

CNT 유동층 반응기(내경 0.15 m, 높이 2.6 m) 프리보드 내 미세 CNT 입자(평균입도 $46{\mu}m$, 벌크밀도 $93.2kg/m^3$)의 높이 별 거동을 확인하기 위해 레이저 슬릿광 형상 측정법을 이용하여, CNT 응집체의 크기 및 형태를 측정하였다. 기체 유속 증가에 대해, 비산되는 CNT 응집체의 Feret 직경과 Heywood 직경이 증가하였다. 프리보드 내 높이가 증가할수록 평균 직경은 작아졌고, 응집체 내 CNT 입자수가 감소하였다. 기체 유속 증가에 대해, 응집체의 종횡비는 농후상에 가까울수록 증가하였으나, 높은 높이에서는 감소하였다. 그러나, 견고도는 큰 변화를 보이지 않았다. 응집체의 형상 분석 정보에 기반하여, 높이 별 CNT 입자의 응집과정이 서로 다름을 확인하였다. 유동층 프리보드 내 CNT 응집체의 Heywood 직경을 예측할 수 있는 상관관계식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effect of height on the size and shape of carbon nanotube (CNT) aggregates in the freeboard region of a bubbling fluidized bed ($0.15m\;i.d.{\times}2.6m\;high$) has been determined. Feret diameter and Heywood diameter of the CNT aggregates in the freeboard region of fluidized bed increased with increasing gas velocity. The average aggregate diameters and CNT particle number in the aggregates decreased with increasing of height in the freeboard. Aspect ratio increased as the location was closer to the surface of the dense phase, but decreased at the highest location. Solidity did not show any significant changes with height. The results showed the aggregates formation process is affected by the height in the freeboard. A correlation was proposed to predict the Heywood diameter of the CNT aggregates.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Experimental apparatus and schematic diagram of laser light sheet method.
그림 Fig. 2. Effect of gas velocity on axial pressure gradient of CNT par-ticles.
그림 Fig. 3. Processed images of aggregates of CNT particles at each height at U_g= 0.10 m/s: (a) height = 0.65 m; (b) height = 1.05 m; (c) height = 1.50 m.
그림 Fig. 4. Effect of gas velocity on (a) Feret diameter and (b) Heywood diameter and (c) CNT particle number in aggregates on each height.
$Fig. 5. Histogram of number fraction of Heywood diameter at U<sub>g</sub>= 0.10 m/s.$ 그림 Fig. 5. Histogram of number fraction of Heywood diameter at U_g= 0.10 m/s.
그림 Fig. 6. Effect of gas velocity on (a) aspect ratio and (b) solidity of CNTaggregates on each height.
그림 Fig. 7. Comparison of the calculated Heywood diameter of aggre-gates and the experimental data.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 CNT 유동층 반응기 희박상 내 미세 CNT 입자의 높이 변화에 따른 거동을 확인하기 위해, 반응기 내 입자의 수력학적 거동에 영향을 주지 않는 in-situ 방법으로서 레이저 슬릿광을 이용한 형상 측정법을 이용하여, 프리보드 영역 내 기체 유속 및 높이 변화에 따른 미세 CNT 입자의 크기 및 형태를 정의하고 이로부터 입자 및 응집체의 거동 변이를 고찰하고자 하였다. 또한, 운전조건변화에 따른 CNT 응집체의 크기를 예측할 수 있는 상관관계식을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 CNT 유동층 반응기 희박상 내 미세 CNT 입자의 높이 변화에 따른 거동을 확인하기 위해, 반응기 내 입자의 수력학적 거동에 영향을 주지 않는 in-situ 방법으로서 레이저 슬릿광을 이용한 형상 측정법을 이용하여, 프리보드 영역 내 기체 유속 및 높이 변화에 따른 미세 CNT 입자의 크기 및 형태를 정의하고 이로부터 입자 및 응집체의 거동 변이를 고찰하고자 하였다. 또한, 운전조건변화에 따른 CNT 응집체의 크기를 예측할 수 있는 상관관계식을 도출하고자 하였다.

제안 방법

5 m의 위치에서 고속카메라(RX100M4, Sony, Japan)를 설치하였다. 22.5 mW 의 출력을 갖는 He-Ne 레이저(Model 1145, Lumentum, US) 광원에서 나오는 빛은 slit을 통과시켜 반응기 중앙에 레이저 광평면(0.08m width X0.18m high)을 형성시켰다. 고속 카메라의 해상도, 샘플링 속도(sample rate), 노출 시간(exposure time)은 350 dpi, 480 frame/s,1000 µs로 설정하였다.
CNT 입자의 기체유속 변화에 따른 희박상 내 유동특성을 파악하기 위하여 다음과 같은 방법으로 실험을 수행하였다. 각각의 CNT 입자 정량하여 반응기에 넣고 유동화 기체인 공기를 기체 분산판의 하단 윈드박스에 주입하였다. 주입된 공기는 기체 분산판를 통하여 입자층으로 이동한다.
고속 카메라의 해상도, 샘플링 속도(sample rate), 노출 시간(exposure time)은 350 dpi, 480 frame/s,1000 µs로 설정하였다.
6m인 아크릴 관으로 구성되어 있다. 높은 유속에서 장치에서 배출되는 CNT 미립자를 포집하기 위하여 싸이클론(cyclone)을 설치하였다. 포집된 CNT 입자를 저장하기 위한 포집관을 설치하였다.
1에 나타낸 비접촉식 형상 측정법인 레이저 슬릿광을 이용한 형상 측정법을 사용하였다. 높이에 따른 입자 거동 측정을 위해기체 분산판으로부터 0.65, 1.05 및 1.5 m의 위치에서 고속카메라(RX100M4, Sony, Japan)를 설치하였다. 22.
특히, 채널링은 층 표면에서 기포와 유사하게 층 표면의 터짐(bursting) 현상을 나타내어 입자의 비산을 본격적으로 증가시키는 결과를 나타내었다. 본 연구에서는 0.05 m/s 이후, 프리보드 영역으로의 CNT 입자의 비산과 뭉쳐진 입자의 현상이 관측되어, 국부적 유동화 현상이 일어나는 0.07 m/s 이후에 대해 응집체 형상을 측정하였다.
본 연구에서는 응집체의 형상 분석을 위해 형상을 정량화하기 위한 인자를 적용하였다[2,8,13]. 응집체의 직경으로서 Heywood 직경과 Feret 직경을 사용하였고, 형상을 정량화하기 위해, 종횡비(Aspect ratio)와 견고도(Solidity)를 사용하였다[14].
현재까지 유동층 프리보드 영역에서 응집체 크기 예측에 대한 상관관계식은 FCC 입자의 경우 많이 제안되고 있으나, CNT 입자의 경우 많지 않다[6]. 본 연구에서는 현재 및 기존의 연구결과 [2,6]를 바탕으로 CNT 입자 직경(d_p)과 운전조건 변화에 따른 유동층 프리보드 또는 희박상 영역 내 CNT 응집체의 Heywood diameter (d_H)를 예측할 수 있는 상관관계식을 식 (2)와 같이 제안하였다.
임의의 기체유속에서 층이 정상상태(steady state)에 도달하면 관 벽면에 설치된 압력탭들을 이용하여 두 지점 사이의 차압을 측정하였다. 압력변이 측정을 위해 마노미터와 압력계(Pressure transducer)를 사용하였으며, 압력계의 경우 압력 강하 신호를 60 Hz로 측정하여 A/D 변환기를 이용하여 컴퓨터에 저장하였다. 초기층물질량은 0.
포집된 CNT 입자를 저장하기 위한 포집관을 설치하였다. 유동화를 위한 기체로서 공기를 사용하였고, 공기의 유속 조절을 위해 질량 유량 제어기(mass flow controller; MFC)를 설치하였다. 기체 분산판으로 노즐 형태의 tuyer 분산판을 사용하였다.
본 연구에서는 응집체의 형상 분석을 위해 형상을 정량화하기 위한 인자를 적용하였다[2,8,13]. 응집체의 직경으로서 Heywood 직경과 Feret 직경을 사용하였고, 형상을 정량화하기 위해, 종횡비(Aspect ratio)와 견고도(Solidity)를 사용하였다[14]. Heywood 직경은 2차원으로 측정된 입자의 면적을 원의 면적으로 전환하여 계산된 직경을 의미하고, Feret 직경은 캘리퍼(Caliper) 직경이라고도 불리며, 입자를 사이에 둔 일정방향 평행선 간격을 의미한다.
주입된 공기는 기체 분산판를 통하여 입자층으로 이동한다. 임의의 기체유속에서 층이 정상상태(steady state)에 도달하면 관 벽면에 설치된 압력탭들을 이용하여 두 지점 사이의 차압을 측정하였다. 압력변이 측정을 위해 마노미터와 압력계(Pressure transducer)를 사용하였으며, 압력계의 경우 압력 강하 신호를 60 Hz로 측정하여 A/D 변환기를 이용하여 컴퓨터에 저장하였다.
고속 카메라의 해상도, 샘플링 속도(sample rate), 노출 시간(exposure time)은 350 dpi, 480 frame/s,1000 µs로 설정하였다. 촬영한 영상 또는 사진은 광 평면의 두께 영향 및 주변 반사된 빛의 간섭현상을 제거하기 위해 미국 국립표준연구소(National Institute of Standards and Technology: NIST)의 공개 소프트웨어인 Image-J [12]를 이용하여 촬영된 사진 및 동영상을 처리하였고, 이를 통해 CNT 응집체 크기 및 형상을 측정하였다. 구체적인 방법 및 그 예시는 Kim [2,6]의 연구에 상세히 나타나 있다.

대상 데이터

유동화를 위한 기체로서 공기를 사용하였고, 공기의 유속 조절을 위해 질량 유량 제어기(mass flow controller; MFC)를 설치하였다. 기체 분산판으로 노즐 형태의 tuyer 분산판을 사용하였다. 아크릴 관에는 유동층의 압력분포 및 고체체류량을 측정하기 위하여 일정 간격으로 압력 탭이 설치되어 있다.
전체 장치는 반응기, 윈드박스(windbox), 분산판, 싸이클론 등으로 구성되어 있다. 반응기의 내경은 0.15 m이고 기체 분산판 위로 높이가 2.6m인 아크릴 관으로 구성되어 있다. 높은 유속에서 장치에서 배출되는 CNT 미립자를 포집하기 위하여 싸이클론(cyclone)을 설치하였다.
본 연구에서는 CNT 입자의 수력학적 특성을 파악하기 위한 층물질로서, C-Nano 사의 FT9000 다중벽 CNT 입자의 미세분말을 사용하였다. CNT 입자의 평균 입도는 46μm (Particle size analyzer,la-950 V2, Horiba)이고 7μm에서 100μm 까지의 입도 분포를 보인다.
본 연구의 기체 유속 범위는 0.07 m/s부터 0.11 m/s로서, 이는 유동층 농후상으로부터 CNT 입자 비산이 시작되어 프리보드 내 형상 측정 높이에 입자 도달 및 측정이 가능한 유속 영역부터 입자의 비산량이 높아 레이저광 투과가 어려운 영 도달 이전까지에 해당된다.

이론/모형

CNT 유동층 반응기의 희박상에서 비말동반된 CNT 입자 거동연구를 위해 Fig. 1에 나타낸 비접촉식 형상 측정법인 레이저 슬릿광을 이용한 형상 측정법을 사용하였다. 높이에 따른 입자 거동 측정을 위해기체 분산판으로부터 0.

성능/효과

(1) 기체 유속 증가에 대해, 비산되는 CNT 응집체의 Heywood직경과 Feret 직경이 증가하였고, 높이가 증가할수록 평균 직경은 작아졌고, 응집체 내 CNT 입자수가 감소하였다.
(2) 기체 유속 증가에 대해, 응집체의 종횡비는 농후상에 가까운 경우, 증가하였으나, 높은 높이에서는 감소하였다. 그러나, 견고도는 큰 변화를 보이지 않았다.
(3) 높이 별 응집체의 형상 분석 정보에 기반하여, 프리보드 내 응집체 형성 과정은 CNT 입자간 상호 뭉침과 입자로부터 이탈된 나노튜브가 CNT 입자 또는 응집체와의 얽힘 두 가지에 의하며, 높이 별 두 응집과정의 기여 정도가 다름을 알 수 있었다.
(4) 유동층 프리보드 내 CNT 응집체의 Heywood 직경을 예측할 수 있는 상관관계식을 제안하였고, 이는 본 결과 및 이전 보고된 연구결과와 잘 일치 하였다.
5에서 설명하였듯이, 높이에 따라 응집체 형성에 기여하는 응집과정이 서로 다름을 의미한다. 높이에 따른 견고도 비교에 있어, 기체유속 증가에 대해 약간의 감소를 보였으나, 상대적으로 감소 정도는 적으며, 이는 높이 변화에 대해 큰 차이를 보이지 않았다. 견고도는 응집체의 오목면이 없는 정도에 대한 지표로서 응집체의 거칠기를 나타낸다[14].
본 연구의 기체유속 범위에 있어 모든 측정높이에서 평균 Feret 및 Heywood 직경은 입자의 초기 평균 직경(46 μm)보다 5배 이상의 큰 직경을 나타내었다.
65 m 지점의 평균 직경에 근접하는데, 이는 유속이 증가할수록 입자 및 응집체에 대한 항력이 증가하여, 큰 직경의 응집체 상승 높이가 증가하기 때문이다. 응집체 내 CNT 입자의 개수는 기체유속이 증가할수록 증가하였고, 높이가 증가할수록 낮아지는 경향을 보였다. 응집체 형성 CNT 입자의 개수의 증가 경향을 보면, 0.
응집체 내 CNT 입자의 개수는 기체유속이 증가할수록 증가하였고, 높이가 증가할수록 낮아지는 경향을 보였다. 응집체 형성 CNT 입자의 개수의 증가 경향을 보면, 0.65 m의 경우, 급격한 증가를 보인 반면, 1.05 m 이상에서는 완만한 증가를 보였다. 이는 각 높이에서 평균 직경의 증가 정도가 유사한 것에 비교할 때, 특이할 만 하다.
이는 Geldart C 입자와 같이, 응집력이 강한 미립자 유동화의 대표적 현상이다. 특히, 채널링은 층 표면에서 기포와 유사하게 층 표면의 터짐(bursting) 현상을 나타내어 입자의 비산을 본격적으로 증가시키는 결과를 나타내었다. 본 연구에서는 0.

후속연구

CNT 유동층 반응기의 설계 및 운전 최적화, Scale-up을 위해서는 CNT 응집체 형성에 따른 반응기 내 수력학적 특성 변화가 고려되어야 하나, 이에 대한 연구는 매우 부족한 상황이다[2,4,6]. 따라서, CNT 합성용 유동층 반응기의 설계 및 Scale-up 및 운전 최적화에 필요한 기초 자료 확보를 위해 CNT 유동층 반응기 내 입자의 거동 및 수력학적 특성에 대한 연구가 필요하다. 이와 관련하여, CNT 유동층 반응기에 대한 주요 연구는 CNT 합성이 주로 일어나는 유동층 농후상 내 CNT 입자거동 측정 및 해석에 집중되어 왔다[1,3,4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	(Laser sheet technique for visualization)은 무엇인가?	그러나, 반응기 상부영역의 설계, 상부열전달 및 싸이클론의 설계를 위해 CNT 유동층 상부 프리보드(freeboard) 영역에 대한 입자 거동 정보는 설계 및 모델링을 위한 기초 자료를 제공하므로, 프리보드 내 CNT 입자의 수력학적 특성 및 거동에 대한 연구 또한, 매우 중요하다. 이를 위해, 최근 유동층 희박상 내 레이저 슬릿광을 이용한 형상 측정법(Laser sheet technique for visualization)[8]을 이용한 CNT 입자 형상 측정에 대한 다양한 연구가 이루어졌다. Jeong and Lee [9]는 유동층 농후상 표면 상부에서 CNT 응집체의 크기를 측정하여 농후상 내 입자의 크기를 유추하고자 하였고, Kim [2,6]과 Park and Kim [5]은 유동층 프리보드 영역 내 완전발달 흐름 영역에서 CNT 응집체의 크기와 형상을 측정하였다.
	탄소나노튜브(Carbon Nanotubes; CNT)가 차세대 핵심 신소재로 기대를 받고 있는 이유는 무엇인가?	탄소나노튜브(Carbon Nanotubes; CNT)는 전자재료 및 에너지 등 다양한 분야에 응용 가능성이 매우 높은 차세대 핵심 신소재로 큰 기대를 받고 있다[1,2]. CNT 합성기술에는 electric arc discharge, laser ablation, Chemical vapor deposition (CVD) 등의 방법들이 있다 [3].
	CNT 입자의 응집력에 의해 유발되는 현상은 무엇인가?	특히 CNT 입자는 입자 표면 위에 성장된 나노튜브들이 매우 큰 표면적을 갖고 있어, 입자간 응집화 현상이 유발된다[5-7]. 특히, 이러한 입자간 응집력은 유동층 반응기 내 유체에 의한 기계적 힘보다 더욱 강하여 반응기 내 입자의 취급을 어렵게 만들며, 궁극적으로 CNT 개별 입자가 응집체로 형상이 변화되는 현상을 유발한다[2,8].

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증